Alors que les photodétecteurs conventionnels ne peuvent mesurer que l’intensité lumineuse, le champ lumineux contient des informations beaucoup plus riches. Ces informations comprennent, mais sans s’y limiter, la phase, la polarisation et le spectre.
La mesure d’informations de champs lumineux multidimensionnels peut trouver son application dans divers domaines. Par exemple, les mesures de polarisation peuvent révéler la composition des matériaux et les textures de surface des objets. L’analyse spectrale peut être déterminante pour l’étude chimique et les télécommunications basées sur la division de la longueur d’onde.
Les polarimètres et spectromètres conventionnels sont souvent encombrants, ce qui entrave leurs applications dans des plateformes miniaturisées. Les polarimètres et spectromètres à division d’amplitude utilisent des séparateurs de faisceau de polarisation et des éléments dispersifs. Ceux-ci sont conçus pour séparer et distinguer spatialement la lumière avec différentes polarisations et longueurs d’onde.
Alternativement, les polarimètres et spectromètres à division de temps tirent parti des filtres de polarisation et de longueur d’onde accordables pour mesurer séquentiellement l’intensité lumineuse avec différentes polarisations et composantes spectrales. Grâce au multiplexage des mécanismes de polarisation et de détection du spectre, des systèmes composites capables de mesurer simultanément la polarisation et le spectre de la lumière ont été développés récemment. Cependant, le multiplexage entraîne inévitablement un facteur de forme et une complexité du système encore accrus.
Dans un nouvel article publié dans eLightune équipe de scientifiques, dirigée par le professeur Yuanmu Yang du State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Department of Precision Instruments, Tsinghua University, a développé un spectropolarimètre proche infrarouge basé sur une métasurface à cristaux liquides accordable électriquement.
L’article, intitulé « Spectropolarimétrie computationnelle avec une métasurface à cristaux liquides accordable », a montré comment la polarisation simultanée et les mesures spectrales sont obtenues grâce à une métasurface accordable avec des résonances en mode guidé de haute qualité combinées à un algorithme de reconstruction informatique.
La métasurface est une classe émergente d’éléments optiques diffractifs plans. Sa flexibilité de conception a ouvert de nouvelles voies pour manipuler le champ lumineux vectoriel. Des polarimètres et spectromètres basés sur la métasurface ont été développés ces dernières années. Des polarimètres et des spectromètres informatiques ont également été démontrés. Ces dispositifs ont montré comment la polarisation ou le spectre de la lumière incidente peut être codé à l’aide d’une métasurface ou d’un réseau de métasurfaces à graphène intégré accordable.
Le multiplexage et la reconstruction simultanés d’informations multidimensionnelles de champ lumineux restent difficiles. La spectropolarimétrie basée sur la métasurface a été démontrée en divisant spatialement la lumière incidente avec différentes composantes de polarisation et longueurs d’onde. Cependant, une telle approche nécessite un réseau de détecteurs pour la détection de polarisation et de spectre à un emplacement spatial unique. Il empêche son utilisation pour l’imagerie spectropolarimétrique.
Les chercheurs ont proposé et démontré expérimentalement un spectropolarimètre qui mesure simultanément la polarisation et le spectre de la lumière proche infrarouge. Le matériel de base du système est une métasurface de silicium intégrée à des cristaux liquides et accordable électriquement. La métasurface est conçue pour prendre en charge plusieurs résonances en mode guidé à facteur de qualité élevé.
La métasurface présente des caractéristiques spectrales riches et anisotropes qui peuvent être largement ajustées en appliquant différentes tensions de polarisation. Le système peut reconstruire les paramètres et le spectre Stokes complets de la lumière incidente à partir de l’intensité de la lumière réfléchie enregistrée par un photodétecteur à pixel unique. La fabrication de la métasurface à cristaux liquides est entièrement compatible avec le procédé de fabrication de semi-conducteurs à oxyde de métal complémentaire (CMOS) et de cristaux liquides sur silicium (LCoS). Cela signifie que le système peut être produit en série à faible coût.
La démonstration d’un codeur de champ lumineux multidimensionnel accordable basé sur la métasurface permet la mesure simultanée de la polarisation et du spectre de la lumière proche infrarouge. La métasurface encode la polarisation et les informations spectrales à l’aide de ses résonances anisotropes en mode guidé à Q élevé. Bien que la métasurface à cristaux liquides fonctionne actuellement en mode réflexion, on peut également concevoir une métasurface à cristaux liquides transmissive pour permettre une intégration plus compacte avec le photodétecteur.
Lorsqu’elle est intégrée à un réseau de détecteurs approprié, la métasurface à cristaux liquides peut être utilisée pour l’imagerie spectropolarimétrique sans sacrifier la résolution spatiale. La métasurface à cristaux liquides proposée peut être utilisée dans de nombreuses applications nécessitant des mesures de polarisation et spectrales, telles que l’imagerie biomédicale, la télédétection et la communication optique. Une telle stratégie peut également être étendue pour construire des systèmes compacts qui peuvent mesurer des informations supplémentaires sur le champ lumineux, telles que la profondeur d’une scène cible ou le front d’onde de la lumière incidente.
Plus d’information:
Yibo Ni et al, Spectropolarimétrie computationnelle avec une métasurface à cristaux liquides accordable, eLight (2022). DOI : 10.1186/s43593-022-00032-0